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Cell | 葛烨晶团队揭示内源性逆转录病毒在成体干细胞中的激活影响组织再生

BioArt · 公众号 · 生物 · 2024-10-30 00:00

正文

转座子（Transposon）是远古入侵者在宿主基因组中整合，扩增和突变的产物，约占哺乳动物基因组的一半，被称为“基因化石”。其中内源性逆转录病毒（endogenous retrovirus, ERV）起源于远古逆转录病毒对哺乳动物祖先生殖系统的侵染，约占人类基因组的9%，小鼠基因组的12%。自20世纪40年代Barbara McClintock在玉米中发现转座子以来, 研究人员对这类散布于基因组的重复序列在宿主进化和生命活动中的功能有了越来越深入的认识。

尽管在哺乳动物中转座子的转座活动较为罕见，但仍有一部分进化上较年轻的逆转座子（Retrotransposon）保留了其转座或编码蛋白的功能，在特定发育阶段或条件下逃脱宿主监视而被再激活，并在哺乳动物发育，衰老和疾病发生中发挥重要功能。之前对逆转座子的研究大多集中在胚胎干细胞和胚胎发育过程中，但对其在成体中的作用知之甚少。

2024年10月29日，美国得克萨斯大学MD安德森癌症中心Yejing Ge团队在Cell期刊在线发表了题为Stem Cell Activity-Coupled Suppression of Endogenous Retrovirus Governs Adult Tissue Regeneration的研究论文。该研究利用小鼠皮肤为模型，探究了ERV再激活对成体干细胞活性和组织再生的影响及分子机制，为深入理解其在成体发育和疾病中的作用提供了新的见解。

皮肤作为哺乳动物最大的器官，包含表皮干细胞、毛囊干细胞等多种皮肤干细胞。皮肤干细胞由于其种类和数量丰富，易于获取，遗传学可操作性强，自我更新能力强，具有高增殖能力和多向分化潜能，成为研究成体干细胞的理想模型。其中毛囊干细胞（hair follicle stem cell, HFSC）位于毛囊外根鞘的隆突（bulge）部位，在毛发周期（hair cycle）中以静息和活化状态交替，促进毛囊的周期性再生。在毛发生长期，毛囊干细胞开始自我复制，在毛发基质区（matrix）生成短暂扩增细胞（transient amplifying cell, TAC），最终分化形成毛发各结构。

在本研究中，作者通过免疫荧光成像发现一抑制逆转座子的组蛋白赖氨酸甲基转移酶SETDB1只能在毛囊干细胞激活时检测到蛋白表达，提示SETDB1可能在维持干细胞活性和毛囊再生中发挥功能。在皮肤上皮中条件性敲除SETDB1引起了小鼠不成熟毛发周期的异常重复，毛囊干细胞耗竭，短暂扩增细胞TAC增殖减少，进而导致了小鼠的脱毛表型。对基因和逆转座子转录本表达谱的分析表明，在SETDB1敲除的皮肤中抗病毒基因通路被激活，同时ERV表达显著上调。令人惊讶的是，之后作者通过质谱技术检测到了大量ERV编码的肽段。并电镜下观察到了分布在细胞质和分泌到细胞外的结构完整的病毒样颗粒。更重要的是，使用抗逆转录病毒药物——核苷逆转录酶抑制剂（nucleoside reverse transcriptase inhibitors, NRTI）处理SETDB1条件性敲除小鼠可以显著改善其脱毛表型，并部分回复毛囊干细胞的数量，证实ERV再激活直接导致了毛发再生障碍和毛囊干细胞耗竭。

在探索下游机制的过程中，作者通过单细胞测序出乎意料地发现，尽管ERV的再激活水平在不同上皮细胞亚群中相当，不同干细胞群体却表现出差异化的应答通路：在表皮和毛囊干细胞中抗病毒基因被强烈诱导，然而短暂扩增细胞TAC则显著下调了与细胞周期相关的基因表达，却没有产生抗病毒反应。进一步的功能实验表明，一方面，先天免疫感受器AIM2部分介导了抗病毒反应，而另一种被广泛研究的感受器STING并没有参与。另一方面，DNA损伤和复制压力则是TAC细胞增殖减少的主要原因。

那为何SETDB1只在激活的毛囊干细胞及其子代细胞中增强表达呢？作者发现，在高度激活的ERV区域，伴随组蛋白修饰H3K9me3和DNA甲基化水平下调的同时，另一种表观遗传修饰——5-羟基甲基胞嘧啶（5hmC）产生富集。由DNA去甲基化酶TET介导的5hmC是干细胞分化基因激活的关键调控通路。作者继而发现，敲除TET显著降低了SETDB1缺失皮肤中的ERV转录本水平，证明了这就是ERV的手段精妙之处：ERV劫持了这一宿主转录调控机制，以促进其在成体干细胞中的自私活动，而以SETDB1为中心的表观遗传通路则是成体干细胞的关键保护机制。

综上所述，本研究利用小鼠模型，通过转录组测序（RNA-Seq）、染色质转座酶可及性分析（ATAC-Seq）、染色质免疫沉淀测序（ChIP-Seq）、全基因组甲基化测序（WGBS），单细胞测序（scRNA-Seq）等多种高通量组学方法，揭示了ERV再激活的分子机制及其导致毛囊再生障碍的生理机制。作者发现的皮肤干细胞分区式反应可能体现了进化优势，使靠近皮肤屏障的干细胞能够有效抵御病毒攻击，而负责毛发形成的短暂扩增细胞则得以避免“战斗”，优先组织再生。此外，本研究所用的小鼠和成体干细胞实验将为研究人员进一步探究转座子在自身免疫疾病，神经退行性疾病，衰老和癌症中的病理机制提供理想的模型。

MD安德森癌症中心的助理教授葛烨晶Yejing Ge为本文通讯作者，博士后吕瀛Ying Lyu为本文第一作者。该研究得到了MD安德森癌症中心Taiping Chen，Ken Chen等多方团队的帮助与支持。Ge Lab现招聘博士后诺干名，课题组详细信息请访问https://yejinggelab.com

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.10.007

制版人：十一

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